Ein Zug kann nicht um ein Hindernis lenken und nicht schnell anhalten. Derselbe glatte Stahlkontakt, der es einer Lok erlaubt, eine riesige Last mit wenig Kraft zu bewegen, ist bedeckt mit warum Bahnen Flüssen folgen, begrenzt auch, wie stark die Bremsen greifen können. Auf gerader Strecke sieht ein Fahrer vielleicht einen oder zwei Kilometer voraus, und ein schneller Zug braucht etwa so viel, nur um anzuhalten. Die Sicht allein ist daher kein sicherer Weg, eine Bahn zu betreiben, und die Signalisierung übernimmt ihren Platz.
Von der Zeit zum Raum
Die früheste Methode war die Zeitintervall: Schicke Züge im Abstand von wenigen Minuten los und vertraue darauf, dass der vordere weiterfährt. Das funktioniert, bis ein Zug eine Panne hat oder wegen einer Störung hält, und dann kommt der nächste mit voller Geschwindigkeit an, ohne Vorwarnung.
Die Lösung war die Blocksystem, das eine Lücke in der Zeit durch eine Lücke im Raum ersetzt. Die Strecke wird in Abschnitte namens Blöcke unterteilt. Ein Signal sichert die Einfahrt in jeden davon, und die Regel des absoluten Blockbetriebs ist einfach: Ein Zug darf nur in einen Block einfahren, wenn er frei ist. Ist der Block davor besetzt, zeigt das Signal Rot, und der folgende Zug wartet.
Anfangs sagten sich die Signalwärter an jedem Ende eines Blocks per Telegraf, wann ein Zug ein- und ausgefahren war. Später, Gleisstromkreise übernahm die Prüfung automatisch. Eine niedrige Spannung läuft auf einer Schiene entlang und auf der anderen zurück, durch ein Relais. Die Räder und Achsen eines Zuges verbinden die beiden Schienen, was den Strom umleitet und das Relais abfallen lässt, und das Signal wird rot. Eine gebrochene Schiene oder ein ausgefallenes Netzteil lässt das Relais auf dieselbe Weise abfallen, sodass die meisten Störungen das Signal auf Rot statt auf Grün schalten. Ingenieure nennen das fehlersichere Konstruktion.
Warum Blöcke lang sein müssen
Ein Block kann nicht beliebig lang sein. Der Fahrer braucht früh genug Vorwarnung, um vor dem roten Signal anzuhalten, und der Bremsweg ist nicht proportional zur Geschwindigkeit. Bei konstanter Bremsung beträgt der Weg v² ÷ 2Ein, wo v ist Geschwindigkeit und Ein ist Verzögerung. Verdopple die Geschwindigkeit, und der Bremsweg vervierfacht sich.
Das Beispiel unten geht von einer Verzögerung von 0.5 m/s² aus, einem Wert, der gewählt wurde, damit die Rechnung übersichtlich bleibt. Echte Züge variieren mit ihren Bremsen, ihrer Ladung und dem Zustand der Schienen, daher sind die Ergebnisse als Muster zu lesen, nicht als Fahrplan. Eine Meile pro Stunde sind 0.447 Meter pro Sekunde, also sind 100 mph 44.7 m/s.
Ein Zug mit 100 mph braucht etwa zwei Kilometer, was länger ist, als die meisten Fahrer in einer Kurve oder bei Regen sehen können. Ein Zug mit 25 mph braucht 125 Meter. Langsame Strecken können kurze Blöcke haben, schnelle Strecken brauchen lange Blöcke oder zusätzliche Vorwarnung.
Signalbegriffe: die Warnung vor dem Halt
Ein Signal tut mehr, als nur Halt oder Fahrt zu sagen. Seine Signalbegriff, das Lichtmuster, das es zeigt, informiert den Fahrer auch über das Signal danach. Bei einem üblichen System mit drei Signalbegriffen:
- Rot: stoppen. Der Block davor ist besetzt oder nicht sicher zu befahren.
- Gelb: Vorsicht. Das nächste Signal ist Rot, also sei bereit, dort anzuhalten.
- Grün: weiter. Das nächste Signal ist Gelb oder Grün, daher ist die Strecke mindestens bis zum nächsten Signal frei.
Platziere die Signale so, dass ein Zug, der ein Gelb mit voller Geschwindigkeit passiert, noch am Rot anhalten kann, dann ist das System sicher. Für das 100-mph-Beispiel heißt das einen Block von etwa zwei Kilometern, mit dem Gelb an seinem Anfang und dem Rot an seinem Ende.
Das ist nicht immer praktisch, und viele schnelle britische Strecken verwenden vier Signalbegriffe stattdessen. Ein doppeltes Gelb bedeutet, dass das nächste Signal ein einfaches Gelb ist, sodass sich die Warnung auf zwei Blöcke verteilt und jeder Block kürzer sein kann als ein voller Bremsweg. Der Fahrer bekommt zwei Warnstufen statt einer, und ein Zug bremst in zwei Stufen statt in einem harten Halt.
Ein rotes Signal schützt den Zug davor, nicht den Zug am Signal. Das Blocksystem versucht nie, eine Kollision durch Reaktion zu verhindern. Es verhindert, dass zwei Züge jemals gleichzeitig im selben Abschnitt sind.
Der Preis der Sicherheit ist Kapazität
Weil ein nachfolgender Zug nur Grün sieht, wenn das nächste Signal Gelb oder Grün ist, braucht eine Strecke mit drei Signalbegriffen mindestens zwei freie Blöcke zwischen den Zügen. Nimm Blöcke von zwei Kilometern und eine Geschwindigkeit von 100 mph. Zwei Blöcke sind vier Kilometer, und 4,000 m ÷ 44.7 m/s sind etwa 90 Sekunden. Das ist der engste Abstand, mit dem zwei Züge einander folgen können, bevor man die Länge des Zuges selbst hinzuzählt.
Kürzere Blöcke würden Zügen erlauben, dichter aufzufahren, aber nur auf Strecken, auf denen der Bremsweg kurz ist. Die Grenze ist nicht die Anzahl der Signale, sondern wie weit ein Zug zum Halten braucht. Eine Verdopplung der Geschwindigkeit vervierfacht den Bremsweg, daher braucht schnelleres Fahren längere Blöcke oder mehr Signalbegriffe, und das begrenzt, wie dicht Züge folgen können.
Im Spiel Valley Rail: Train Tycoon du wählst, wohin ein Zug fährt, und er fährt die Strecke selbstständig, und Bahnübergänge haben automatische Signale.
Was du daraus mitnehmen solltest
- Bahnen laufen auf Raum, nicht auf Zeit: ein Zug pro Block.
- Der Bremsweg steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, daher braucht 100 mph das 16-Fache des Wegs von 25 mph.
- Ein Signalbegriff warnt vor dem nächsten Signal, so kann ein Fahrer rechtzeitig bremsen, ohne das Hindernis zu sehen.
- Sicherer Abstand und Streckenkapazität ziehen gegeneinander, und der Bremsweg entscheidet, wo die Linie gezogen wird.
Valley Rail: Train Tycoon hat sechs Zugmodelle für Personen- und Güterverkehr, von einem einteiligen Pendlerzug bis zu einem stromlinienförmigen Expresszug, dazu Bahnübergänge mit automatischen Signalen. Das Geld, das jede Fahrt einbringt, existiert nur im Spiel und hat keinen Geldwert. Valley Rail ist im geschlossenen Test und noch nicht öffentlich verfügbar.